【计算机组成原理-chapter1】计算机组成原理概述

1. 计算机的发展历程

* 计算机按指令和数据分为以下4类：
	1. 单指令流和单数据流（SISD）, 比如传统的冯*诺伊曼体系结构
	2. 单指令流和多数据流（SIMD），比如阵列处理器系统、向量处理器系统
	3. 多指令流和单数据流（MISD），这种计算机实际上不存在
	4. 多指令流和多数据流（MIMD），比如多处理器和多计算机系统

2. 计算机硬件的基本组成

2.1 早期冯·诺依曼结构

在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的。比如，要实现某个乘法逻辑，可以直接设计一个计算乘法的硬件；也可以等价的用已有的加法硬件实现，只不过要多用几次加法。
显然的，虽然在逻辑上是等价的，但是用硬件直接实现逻辑功能会效率更高，但是相对的成本会增加。

2.2 现代计算机结构

上述的冯·诺依曼结构的五大部件间的逻辑其实有些不太合理。输入设备得到的数据应该直接存放到存储器中，而不是经过运算器到达存储器，同理输出设备应该直接中存储器中读取数据。这样导致运算器不仅做其应该做的计算任务，还做了数据的中转任务。比如下面一个例子：

这样，很明显我们应该以仓储部门为核心，即以存储器为核心，让I/O绕过运算器，从而解放运算器的效率。也就是如下图现代计算机结构：

简化图形如下:

2.3 小结

3. 认识各个硬件部件

3.1 主存储器的基本组成

其中, MAR是地址寄存器，MDR是数据寄存器。

注意：MAR和MDR可以不放在主存中，放在CPU中，事实上，现在计算机都将MAR和MDR放在CPU中。当然，放在主存中也是对的。

CPU是如何对存储器进行读取数据和写入数据？其实读取数据的过程和拿快递的过程很类似，写入数据也类似：

3.2 运算器的基本组成

注意：

1. 运算器中还有状态寄存器，用来表示每次指令后的状态，是否异常等等。
2. 运算器的寄存器中只有指令寄存器对用户是透明的，程序寄存器和状态寄存器对用户都不是透明的。

3.3 控制器的基本组成

3.4 计算机的工作过程

 * 计算机的工作步骤
	1. 把程序和数据加载到主存
	2. 将源程序转换成可执行文件
	3. 从可执行文件的首地址开始逐条执行指令
		1. 取指令：PC->MAR->M->MDR->IR; PC++
		2. 分析指令：OP(IR)->CU
		3. 执行指令：Ad(IR)->MAR->M->MDR->ACC
		* 注意：
			1. 上面的()表示取其中的内容，上面的有些我省略了。
			2. CPU根据指令周期区分是指令还是数据，如果是指令，再将指令送到IR，IR再对指令进行解析。

3.5 小结

4. 计算机系统的多级层次结构

4.1 计算机系统的层次结构

4.2 三种级别的语言

4.3 小结

5. 计算机的性能指标

5.1 存储器的性能指标

5.2 CPU的性能指标

5.3 计算机整体的性能指标

1. 机器字长：CPU进行溢出整数运算（定点整数运算）所能处理的二进制位数，即数据运算的基本单位长度。通常于CPU中寄存器的位数相等。
2. 数据(通路)带宽：数据总线一次所能并行传送数据的位数。
3. 主存容量
4. 运算速度
	1. 吞吐量
	2. 响应时间
	3. 主频和CPU时钟周期
	4. CPI
	5. CPU执行时间

5.4 小结

6. 知识点补充

1. 指令和数据都已二进制的形式存放在存储器中，CPU是根据指令周期的不同阶段加以区分的。通常在取指令的阶段取出的是指令，在执行指令阶段
   取出的是数据。不能说是指令操作码的译码结果，因为是确定取出指令后才将操作码送去译码。

2. 地址寄存器是位于控制器中

3. 操作系统、编译程序、连接程序都是属于系统软件，文本处理程序属于应用软件。

4. 软件和硬件在逻辑上是不等的；软件和硬件的功能在逻辑上是等价的。

5. 寄存器的设置对汇编语言是不透明的。

6. 数据库管理程序是系统软件，数据库系统是组成数据库管理系统的一部分，所有数据库系统不是系统软件。

7. 传统存储器只能按地址寻址，相联存储器既可以按地址，又可以按内容寻址。

8. 计算机硬件能执行的只能是机器语言，其他的都不行，比如硬件描述语言程序也不行。

9. 计算机用二进制的几个原因：
	1. 物理器件的性能
	2. 二进制简单
	3. 制造两个稳态的物理器件较容易
	4. 便于用逻辑门电路实现。 

10. 系列机的基本特征是指令系统向后兼容。

11. 对程序进行编译优化也能缩短程序执行的时间。因为能得到更优的指令序列。

12. 存储器由触发器组成。

13. 磁盘可以永久的存放数据和程序。

14. 区分几个字长：
	1. 存储字长：存储单元的二进制位数
	2. 机器字长：CPU能直接处理的二进制的位数，是运算的基本单位。
	3. 指令字长：一个指令的位数。
	4. 数据字长：数据总线一次并行传送的数据位数。
	* 注意：以上都可以不等

15. MFLOAPS是最能体现计算机的整体性能的，因为其进行了百万次运算。

16. 当前设计高性能计算机的主要途径：采用并行处理技术。因为CPU主频、扩大主存容量都是有上限的。

17. 兼容：指计算机软件或者硬件的通用性，通常在同一系列机不同型号间通用。

18. 性能提高50%，指是原来的150%，不能直接除2，而是除1.5

19. 计算机体系结构是计算机由哪些组成，计算机组成原理是计算机的具体实现。